CN105834859A - 一种高精度光学透镜冷加工工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度光学透镜冷加工工艺，包括以下步骤：S1、下料及粗磨：切方，改厚度，粗磨外圆。S2、精滚外圆：精滚外圆达图纸要求，铣磨半径，控制面型及中心厚度。S3、精密研磨：透镜材料放入研磨用夹具里，在高速平摆精磨机上用金钢石丸片，对透镜进行研磨。S4、预抛光：用聚氨酯片在高速平摆抛光机对透镜进行预抛光。S5、精密抛光：在低速抛光机上将工件进行精密抛光、修改光圈和检测，以最终满足中心厚度、表面面型及粗糙度的要求。本工艺流程针对高精度的光学透镜设计，利用高速精磨抛光机和低速抛光机进行结合加工，加工得到的光学透镜具有表面疵病低，光洁度高，表面面型好，表面粗糙度低的特点。

Description

一种高精度光学透镜冷加工工艺

技术领域

本发明涉及一种光学透镜的加工工艺，特别涉及一种高精度光学透镜冷加工工艺，属于光学设备加工制备领域。

背景技术

光学透镜是构成光学系统的最基本单元，是用透明物质制成的表面为球面、非球面的光学元件，光通过其表面发生折射、反射而成像。透射材料分为光学玻璃、光学晶体和光学塑料三类，其中光学玻璃是最常用的光学材料。近年来随着光学仪器的广泛使用，对光学元件的需求也逐渐增多，特别是对于高精度光学透镜的需要更是直线增长。

对于高精度的光学透镜而言，对于光学透镜的性质要求极高，因此必须在加工的过程中保证透镜表面疵病低，光洁度高，表面面型好，表面粗糙度低。

比如航空航天，激光系统，自适应光学系统，波前检测，红外探测系统，军用等特殊用途要求：光洁度达到B＝I级以上，表面面型RMS≥1/10λ，最好的能达到1/20λ，甚至更高，表面粗糙度≤1nm，甚至更低，要达到这些要求目前一般采用传统的古典式加工工艺。

古典加工方法可以对面型进行精抛修圈，达到高精度质量要求。但是一般周期长，机床转速低、压力低，效率低，费时费力，适合单件、样品及小批量研制生产。

现代高速精磨抛光加工方法，比如平摆机床转速快，压力大，模具精度较高，效率高生产周期短，能达到中级以上精度要求，适合大批量流水线生产加工。但是加工精度受到限制，难以达到特殊使用情况下的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的高精度光学透镜加工过程中高速精磨抛光加工方法精度不满足高精度光学透镜要求，古典加工方法加工速度慢的不足，提供一种全新的高精度光学透镜加工工艺，本发明的加工工艺属于冷加工工艺，能够在常规环境中进行，更准确的来说，可以在25-30℃的环境温度下进行加工。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种光学透镜加工工艺，属于光学透镜冷加工工艺，包括以下步骤：

S1、下料及粗磨：将原料切割成基础方块料，修改厚度，粗磨方块料形成透镜外圆轮廓。

S2、精滚外圆：将S1加工的透镜材料，继续磨削外圆，并控制透镜的外径尺寸及公差在透镜图纸要求的范围内。优选的，精滚外圆采用将透镜材料装夹在工件轴上并随之匀速转动，用金刚石砂轮进行切削，修磨外圆，使透镜材料在转动的过程中完成外圆轮廓的研磨成型，并达到一定的粗糙度。然后，铣磨机铣磨透镜的球面半径，同时控制面型及中心厚度。

S3、精密研磨，简称精磨：将S2加工的透镜材料研磨达到设计厚度。对于大直径的光学透镜，一般需要控制球面半径等厚差，采用装有千分表的等厚座控制等厚差，按图纸厚度打磨控制，可以用等厚座测量透镜修改的等厚尺寸，通过研磨对透镜表面修改等厚尺寸，一般控制等厚差＜0.005mm，保证光学偏心C值。等厚座一般在大直径的透镜加工过程中，用于大直径透镜的曲率面形误差校正，进而保证其光学偏心。

所述等厚座是用于调整控制透镜曲率表面相等厚度差值的一个仪器，是以外圆为基准用于控制透镜球面等厚的工具。

然后，将透镜材料放入研磨用夹具，优选的透镜材料和夹具之间垫上阻尼布以保护表面，用夹圈加以固定，在研磨用模盘上粘接金钢石丸片，利用平摆精磨机对透镜进行研磨。此时利用平摆精磨机研磨透镜表面的球面半径、面型，根据透镜材料选用金刚石丸片的直径、粒度进行研磨，控制表面疵病(划痕、砂眼)达到预抛光要求。优选的，使用高速平摆精磨机进行研磨。高速平摆精磨机研磨速度快、效率高，能够保证透镜的初步精度控制，快速将透镜材料加工到后续的预抛光的原材料要求。

优选的，步骤S3中所述精密研磨分为：一次研磨和二次研磨。在研磨的过程中控制好初级表面疵病，控制中心厚度，控制表面面型。平摆精磨机在研磨的过程中使用的是金刚石丸片，使用金刚石丸片进行研磨，具有研磨切削速度快的特点，一般需要注意研磨表面疵病，防止高速研磨过程中造成不可挽回的缺陷或损坏。

所述高速精磨机速度大于1200rpm，更优选大于1800rpm，最优选大于2000rpm。包括高速平摆精磨机、高速上摆精磨机、高速下摆精磨机。本发明所述的高速精磨机，亦可称为高速研磨机。同样适用于高速抛光机，其速度优选大于1200rpm，更优选大于1800rpm，最优选大于2000rpm，包括高速平摆抛光机、高速上摆抛光机、高速下摆抛光机。

S4、预抛光：在抛光用模盘上粘接聚氨酯片，将步骤S3精密研磨好的透镜清洗干净，放入抛光用装夹夹具里，用夹圈加以固定，进行预抛光。优选的，在平摆抛光机上进行预抛光，特别是高速平摆抛光机。优选的，装夹夹具内放入阻尼布以保护透镜表面，阻尼布具有减震的功效，提高抛光精度，同时阻尼布能够防止透镜被夹具刮花、磨花、压印。注意应当先放入阻尼布，再放入透镜进行装夹，保证阻尼布对透镜的表面的保护。

S5、精密抛光：根据凹凸透镜选择以下加工方式之一：

①对于凸面光学透镜：把预抛光好的透镜粘在抛光模盘上，在低速抛光机上先装上过度接头，然后再接上所述抛光模盘。工件在下，抛光胶盘在上，进行精密抛光、修改光圈、局部光圈和检测，以最终满足中心厚度、表面面型及粗糙度的要求。优选使用高速抛光模盘。优选的，所述抛光胶盘是沥青抛光胶盘。工件粘接在抛光模盘上，放在下面，工件的上面用沥青抛光胶进行抛光。

②对于凹面光学透镜：把预抛光好的透镜装夹在夹具里，在低速抛光机上直接装上抛光胶盘。工件在上，抛光胶盘在下，进行精密抛光、修改光圈、局部光圈和检测，以最终满足中心厚度、表面面型及粗糙度的要求。优选的，所述抛光胶盘是沥青抛光胶盘。

优选的，所述低速抛光机是转速低于400rpm的抛光机，最好是低于200rpm的抛光机，如160rpm、100rpm、60rpm的抛光机。控制精密抛光过程中抛光机的转速不超过400rpm，当然可以优选以上更低的转速。

本发明方法采用高速精磨抛光方法和古典抛光方法相结合的方式，提高了生产效率，降低了劳动强度，缩短了工序流转，同时保证了透镜加工质量。

进一步，对于精密抛光过程，必要时采用手动修圈，透镜加工位置根据需要上下调动，以利于最后的修抛过程，达到图纸要求。

本工艺流程针特别适用于高精度的光学透镜冷加工(处理)过程，对高精度的光学透镜，先利用高速精磨抛光机加工出具有初步外形和中低级精度的元件，再利用低速精磨抛光机进行深加工，抛光精修表面面型及粗糙度，加工出具有表面疵病低，光洁度高，表面面型好，表面粗糙度低的光学透镜，满足要求。透镜高精度的参考标准：光洁度达到B＝I级以上，表面面型RMS≥1/10λ，最好的能达到1/20λ，甚至更高，表面粗糙度≤1nm，甚至更低。

进一步，步骤S1中，将切割好的基础方块料粘接成条，然后粗磨形成透镜外圆轮廓。采用粘接成条，磨削外圆的方式大幅度的提高生产的效率，加快加工速度，实现小批量生产。而且粘接成条的基础方块料在磨削外圆的过程中，外圆轮廓更加均匀一致，有利于透镜后续加工的一致性控制。

进一步，步骤S1中，所述透镜最终加工外廓为圆形。

进一步，步骤S2中，可以分几次磨削透镜外圆使直径、粗糙度达到要求。特别的，对于边缘尺寸较厚的透镜可以分次磨削透镜外圆达到要求。对于切斜台透镜先设计装夹工具再用光学定心滚边机切削出带角度的斜台。切斜台的过程应当在透镜抛光面加工之前进行，以防止透镜表面抛光后又受到装夹工具的伤害导致抛光面损伤，避免透镜表面二次返工/抛光。

本发明设计适合高速精磨抛光机使用的工装模具，先把精磨模具改好面型，再粘接上金刚石丸片代替散砂研磨，通过精磨使光学元件达到一定的半径、光洁度、粗糙度和(面型)光圈。所选用的工装具有易安装固定，夹持固定精度高，对于研磨施工具有高精度控制的特点。优选，设计适合高速精磨抛光机使用的工装模具应当有较高精度的。

进一步，步骤S4中，预抛光过程中注意控制光洁度、光圈、中心厚度等。优选的，在高速平摆抛光机上进行预抛光，控制光洁度，控制中心厚度，控制表面面型。

本发明充分利用现有上摆高速精磨抛光机、平摆高速精磨抛光机、下摆高速精磨抛光机等高速精磨抛光机进行初加工。并采用金刚石丸片代替了散粒砂研磨、用装夹工具代替传统上下粘胶盘，缩短工序流程，减少了换砂、上盘、粘胶、下盘、清洗等辅助工序，既节约了成本又降低了劳动强度。

进一步，步骤S4中，在抛光模具上粘接聚氨酯代替抛光胶进行抛光，通过修改抛光模具面型及选择不同聚氨酯达到加工出具有一定半径、初步光洁度和光圈的光学元件。

而且本发明的方法采用聚氨酯片作为预先抛光的材料，粘接于模盘上在高速平摆抛光机上进行预抛光，利用聚氨酯材料对透镜的表面进行预抛光，快速完成镜面的预抛光处理。使用聚氨酯材料对透镜抛光，能够在高速抛光机上进行，抛光效率极高，而且聚氨酯材料的抛光作用不造成透镜表面的不当磨损。

进一步，步骤S5中，把元件装夹在工装里固定到模具上，选用低速抛光机，用古典法加工方式进行精密抛光和修改光圈、局部光圈及检测。通过低速抛光机，达到图纸要求的表面光洁度、粗糙度和表面面型，从而实现整个光学元件精密加工过程。优选的，所述低速抛光机是双轴抛光机、四轴抛光机或六轴抛光机。低速抛光机，转速控制在400rpm以内，最好是低于200rpm。特别是低速抛光机转速应当按上述范围进行精准控制。如六轴抛光机，主轴转速55-250rpm；四轴抛光机，转速38-350rpm；二轴抛光机，主轴转速16-40rpm。

进一步，对于特殊材料，比如容易受潮受腐蚀的透镜，还可以包括步骤S6、镀膜：把抛光好的表面先镀膜，然后再抛光第二面。通过镀膜，可以减少已经抛光好的表面在空气中曝露时间，防止抛光面受潮腐蚀。

进一步，对于中小直径透镜，将步骤S2精滚外圆调整至步骤S5精密抛光之后，同时取消步骤S2中铣磨加工处理工序。在后续的加工过程中，利用外圆未磨削的部分作为夹持的基础部分，方便夹持作业。对于中小直径的透镜材料，在精磨抛光后进行精滚外圆，从而控制光学偏心C值。所述中小直径透镜是直径Φ≤50mm，特别是直径Φ≤45mm的透镜。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1.本发明方法采用高速精磨抛光方法和古典抛光方法相结合的方式，提高了生产效率，降低了劳动强度，缩短了工序流转，同时保证了透镜加工质量。

2.本发明采用金刚石丸片代替了散粒砂研磨，充分利用现有上摆、平摆、下摆等高速精磨抛光机进行初加工，缩短工序流程，减少了换砂、上盘、粘胶、下盘、清洗等辅助工序，既节约了成本又降低了劳动强度。

3.本发明的方法采用聚氨酯片作为预先抛光的辅料，粘接于模盘上在高速平摆抛光机上进行预抛光，能够在高速抛光机上进行，抛光效率极高，而且聚氨酯辅料的抛光作用不造成透镜表面的不当磨损。

附图说明：

图1是本发明加工大直径的光学透镜加工工艺流程。

图2是本发明加工中小直径的光学透镜的加工工艺流程。

图3是本发明加工透镜中返修透镜工艺。

具体实施方式

以下是部分名词解释说明：

金刚石丸片即金刚石研磨片：采用金属或树脂作为结合剂，加入适当粒度和适宜浓度的金刚石粉而制成的金刚石工具，将丸片及总型粘贴在基座上，用于对各种光学镜片、透镜、陶瓷、晶体等光学元件的粗磨、精磨、超精磨，同时适用于宝石等工件的研磨。

金刚石丸片的直径为Φ4-10，厚度为3-5mm，金刚石丸片中的金刚石粒度为20-240#、W50、W40、W28、W20、W14、W10、W7等。优选的，金刚石丸片中金刚石的粒度为180#以上。金刚石丸片中金刚石微粉的粒度越小，研磨的粗糙度越高。

磨料的粒度规格和颗粒尺寸对照如以下表格所示。

*颗粒尺寸单位为微米(μm)。

粗磨：采用粒度较大的金刚石颗粒粉料或金刚石丸片进行切削研磨。粗磨的精度控制较低，但是粗磨的切削研磨速度较快。优选的，80#—240#、W50—W40金刚石颗粒或相应的金刚石粉料制成的丸片。

精密研磨(精磨)：采用粒度较小的金刚石颗粒粒粉料或金刚石丸片进行研磨。精磨与粗磨相比，精度控制略高，但是精磨的速度较慢。优选的，金刚石颗粒粒度W28以上，本文中精密研磨包括一次研磨和二次研磨。

一次研磨：一般是指以W28—W14金刚石丸片进行研磨加工，去除多余的厚度，但相应的透镜加工的精度较低。

二次研磨：一般是指以W14—W7金刚石丸片进行研磨加工，去除一次研磨产生的表面疵病，控制光圈，实现更高的加工精度。优选的，中小直径冕牌玻璃一次研磨和二次研磨分别选用W14、W10；优选的，中小直径火石玻璃一次研磨和二次研磨分别选用W12、W8。

先粗磨控制透镜外形轮廓，然后精磨控制透镜的厚度、半径、光圈等相关参数满足预抛光要求，为后续的精密抛光加工提供透镜材料的基础条件。

光学偏心C值：是指光学透镜的实体中轴线和光轴的偏差角，一般控制偏心C值主要是为了光学透镜在安装过程中能够通过透镜的实体中轴线更加精准的控制光轴的对准和重叠。

本发明的高精度光学透镜冷加工方法，降低了加工难度，提高了效率，为实现流水线式生产提供了可能。通过设计新型高效精磨模具、抛光模具提高了加工半成品、成品的效率。

①对于待返修、返工元件减少了过程辅助工序，只需通过装夹就可完成准备工作，既节约了时间又减少了二次表面划伤。

②对于特殊材料的元件，因为减少了辅助工序，也就降低了受潮受腐蚀的机会，同时根据具体情况还可以采用单面先镀膜的方式保护第一表面，第二表面加工完后再镀膜第二面。对已经抛光完成的表面镀膜加以保护，可以更好的在进行第二表面的加工处理过程中保持已经抛光好的透镜表面的性能/品质，避免后续加工处理中出现意外损伤影响透镜的品质。

③对于直径较大的元件，比如直径范围100mm≤Φ≤200mm也可以采用此方法，大大降低了劳动强度。

④同时对于精度要求更高的大直径元件，特别是边缘尺寸较厚的元件，比如边厚10mm，甚或以上，通过精滚外圆后，达到同轴度＜0.01mm，改好表面等厚＜0.005mm，此时其光学偏心C值一定，并满足图纸要求，再装卡在工装上抛光，能保证后续加工过程不影响其光学偏心C值。因为首先工装精度有保障，同轴度＜0.01mm，并且其装卡采用紧配合，在加工过程中几乎不发生位移。

此外，本发明方法还可以加工外形不规则的元件。对于外形不规则的元件，在加工的过程中，首选考虑其粗磨成型，然后在精滚外圆或者研磨几何多边形时，为了保证其光学偏心、外圆同轴度、直角垂直度等要求，通常设计磨圆模具或者直角靠体，通过特殊模具的精度确保其外形尺寸的精度。

一般认为透镜直径Φ≤50mm的是中小直径的透镜，透镜直径Φ＞50mm的是大直径透镜。

同时，本发明还提供了对于返修透镜的处理方法，具体步骤如下：

1、返工研磨：在高速精磨机上，直接用夹具装夹，在粘接有金钢石丸片的模具上进行研磨。

2、返工抛光：在高速精磨机上，直接用夹具装夹，在粘接有聚氨酯片的模具上进行预抛光；

3、返修光圈：表面光洁度、光圈不搭要求的，直接用夹具装夹，用抛光模手动抛光修圈以达到要求。

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。本发明中未特别说明的百分比均为重量百分比。

实施例1

按照图1所示的工艺流程，进行大直径光学透镜加工，取石英原料切方，粗磨修改厚度，精滚外圆，铣磨半径，控制铣磨量，调整好透镜的半径，同时控制面型及中心厚度，得到透镜基础料。将此基础料精滚外圆达到图纸要求的大小，控制误差在要求的公差以内。用等厚座对透镜修改等厚尺寸，控制等厚差＜0.005mm，保证光学偏心C值。改好后放入研磨用夹具里，在研磨模盘上粘接金钢石丸片，利用高速平摆精磨机，对透镜进行一次研磨和二次研磨。在研磨的过程中控制好初级表面疵病，控制中心厚度，控制表面面型。然后，在抛光模盘上粘接聚氨酯片，将研磨好的透镜清洗干净放入抛光用装夹夹具里，在高速平摆抛光机上进行预抛光，完成初步抛光处理。

然后进行精密抛光，根据凹凸半径选择加工：

①对于凸面光学透镜：把预抛光好的透镜粘在高速抛光模盘上，在低速抛光机上先装上过度接头再接上该模盘，工件在下进行精密抛光、修改光圈、局部光圈和检测，以最终满足中心厚度、表面面型及粗糙度的要求。

②对于凹面光学透镜：把预抛光好的透镜装夹在夹具里，在低速抛光机上直接装上抛光胶盘，工件在上进行精密抛光、修改光圈、局部光圈和检测，以最终满足中心厚度、表面面型及粗糙度的要求。

实施例2

按照图1所示的工艺流程，进行中小直径光学透镜加工，将原料切割成基础方块料，粗磨修改厚度，粗滚外圆，铣磨半径，控制铣磨量，调整好透镜的半径，同时控制面型及中心厚度，得到透镜基础料。然后，将透镜材料放入研磨用夹具，并加以固定，在研磨模盘上粘接金钢石丸片，利用平摆精磨机对透镜进行研磨。在研磨的过程中控制好初级表面疵病，控制中心厚度，控制表面面型。然后，在抛光模盘上粘接聚氨酯片，将研磨好的透镜清洗干净，放入抛光用装夹夹具里，并加以固定，进行预抛光。预抛光完成后，将透镜粘在高速抛光模盘上，在低速抛光机上先装上过度接头再接上该模盘，工件在下进行精密抛光、修改光圈和检测，以最终满足中心厚度、表面面型及粗糙度的要求。最后，将透镜外圆进行精滚外圆处理，控制外圆尺寸和公差达到图纸要求。

实施例3

取返工光学透镜件，放入抛光用装夹夹具里加以固定，然后在高速精磨机上，在粘接有金钢石丸片的模具上进行研磨。初步研磨完成后，在高速精磨机上返工抛光，同样直接用夹具装夹，在粘接有聚氨酯片的模具上进行初抛光。然后返修光圈，用抛光模手动抛光修圈以达到要求。控制光学透镜表面光洁度、光圈达到要求。

Claims (10)

1.一种光学透镜加工工艺，包括以下步骤：

S1、下料及粗磨：将原料切割成基础方块料，修改厚度，粗磨方块料形成透镜外圆轮廓；

S2、精滚外圆：将S1加工的透镜材料，继续磨削外圆，并控制透镜的外径尺寸及公差在透镜图纸要求的范围内；铣磨机铣磨透镜的球面半径，同时控制面型及中心厚度；

S3、精密研磨：将S2加工的透镜材料研磨达到设计厚度；然后，将透镜材料放入研磨用夹具，用夹圈加以固定，在研磨用模盘上粘接金钢石丸片，利用平摆精磨机对透镜进行研磨；

S4、预抛光：在抛光用模盘上粘接聚氨酯片，将步骤S3精密研磨好的透镜清洗干净，放入抛光用装夹夹具里，用夹圈加以固定，进行预抛光；

S5、精密抛光：根据凹凸透镜选择以下加工方式之一：

①对于凸面光学透镜：把预抛光好的透镜粘在抛光模盘上，在低速抛光机上先装上过度接头，然后再接上所述抛光模盘；工件在下，抛光胶盘在上，进行精密抛光、修改光圈、局部光圈和检测，以最终满足中心厚度、表面面型及粗糙度的要求；

②对于凹面光学透镜：把预抛光好的透镜装夹在夹具里，在低速抛光机上直接装上抛光胶盘；工件在上，抛光胶盘在下，进行精密抛光、修改光圈、局部光圈和检测，以最终满足中心厚度、表面面型及粗糙度的要求；

所述低速抛光机是转速低于400RPM的抛光机。

2.如权利要求1所述光学透镜加工工艺，其特征在于，对于S5精密抛光过程，必要时采用手动修圈，透镜加工位置根据需要上下调动，以利于最后的修抛过程，达到图纸要求。

3.如权利要求1所述光学透镜加工工艺，其特征在于，步骤S1中，将切割好的基础方块料粘接成条，然后粗磨形成透镜外圆轮廓。

4.如权利要求1所述光学透镜加工工艺，其特征在于，步骤S2中，分多次精滚透镜外圆轮廓达到要求。

5.如权利要求1所述光学透镜加工工艺，其特征在于，步骤S3中所述精密研磨分为：一次研磨和二次研磨。

6.如权利要求1所述光学透镜加工工艺，其特征在于，步骤S4中，预抛光过程中注意控制光洁度、光圈、中心厚度过程参数。

7.如权利要求1所述光学透镜加工工艺，其特征在于，步骤S3中，设计适合高速精磨抛光机使用的具有工装模具，先把精磨模具改好面型，再粘接上金刚石丸片代替散砂研磨，控制面型，通过粗磨、精磨使光学元件达到一定的半径、粗糙度和光圈。

8.如权利要求1所述光学透镜加工工艺，其特征在于，步骤S4中，在高速平摆抛光机上进行预抛光，控制光洁度，控制中心厚度，控制表面面型。

9.如权利要求1所述光学透镜加工工艺，其特征在于，步骤S5中，用古典法加工方式进行精密抛光和修改光圈、局部光圈及检测。

10.如权利要求1所述光学透镜加工工艺，其特征在于，还包括步骤S6、镀膜：把S5抛光好的表面先镀膜，然后再抛光第二面。